Les plans et documents de conception du LHC sont consultables
depuis longtemps sur http://cdsweb.cern.ch/ mais il était difficile
de s'y retrouver parmi les dizaines de milliers de documents.

Cet été une série d'articles plus synthétiques (seulement quelques
centaines de pages) a été publiée dans le Journal of Instrumentation:
http://www.iop.org/EJ/journal/-page=extra.lhc/jinst

Voici quelques faits marquants tirés d'une lecture du dernier document
(celui qui présente le LHC lui-même, à l'exclusion des détecteurs
installés autour des points de collision).

AC


Généralités
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Le LHC est installé dans l'ancien tunnel du LEP, d'une circonférence
de 27 km. L'espace utile à l'intérieur fait 3,7 m de diamètre.

Le tunnel n'est pas parfaitement circulaire. Il y a 8 section
rectilignes de 528 m (héritage du LEP).

Le tunnel héberge deux anneaux de protons tournant en sens opposés
(il est prévu d'accélérer également des ions lourds).
Les faisceaux circulent dans deux tubes de 56 mm de diamètre.

Chaque faisceau contient 2808 paquets de 1,15x10^11 protons
(soit moins d'un nanogramme) accélérés à 7 TeV, ce qui correspond
à une énergie de 362 MJ et un courant de 0,584 A.


Électroaimants
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Les faisceaux sont courbés par des électroaimants supraconducteurs
produisant un champ de 8,33 T, refroidis par de l'hélium superfluide
à 1,9 K et 1,3 bar.

Les câbles sont constitués de filaments de niobium-titane de 6 µm
tressés et noyés dans du cuivre. Le courant atteint 12 kA.

Les deux faisceaux doivent être courbés par des champs opposés et
sont espacés de seulement 194 mm, ce qui implique un gradient de
86 T/m. On trouve des gradients jusqu'à 200 T/m dans le LHC.

Les faisceaux, les bobines et la structure métallique chargée de
résister aux contraintes mécaniques sont enfermés dans une enceinte
sous vide de 914 mm de diamètre avec une paroi de 12 mm d'épaisseur.

Il y a 1232 sections de 15 m de long pesant chacune environ 30 t.

Les broches à l'extrémité des câbles font plus de 1 m de long car
elles doivent assurer l'isolation thermique entre le générateur
(qui est à température ambiante) et la portion à 1,9 K. Une section
en supraconducteur à haute température est utilisée à cet endroit.

Il faut 20 minutes pour accélérer les protons de 450 GeV à 7 TeV.
Il faut ensuite également 20 minutes, à vide, pour dissiper
l'énergie magnétique accumulée dans les électroaimants (600 MJ).

Les faisceaux perdent 0,2 W/m par rayonnement synchrotron.
0,2 W/m sont également dissipés dans les parois par des courants
induits. Pour éviter que l'hélium des électroaimants soit réchauffé
par ces flux, les faisceaux sont entourés à cet endroit par un
écran à section ovale de 44mm x 34 mm, refroidi par deux tubes
cryogéniques de 3,7 mm de diamètre, capable d'extraire jusqu'à
1,13 W/m. La surface de l'écran est recouverte de cuivre, bon
conducteur pour les courants induits. Les surfaces exposées au
rayonnement synchrotron sont en dent de scie pour faciliter son absorption.

Si pour une raison quelconque une portion de câble se réchauffe
et perd ses propriétés supraconductrices, elle dissipe par effet
Joule l'énergie accumulée, ce qui accroit l'échauffement local,
et ainsi de suite, d'où de sérieux dégâts. Pour éviter ce scénario,
il est prévu un dispositif capable de réchauffer très rapidement
l'ensemble d'un électroaimant, afin de dissiper l'énergie aussi
uniformément que possible. Ce dispositif de chauffage est alimenté
par 36456 condensateurs de 4,7 mF chargés à 500 V.


Cavités RF
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Chaque faisceau est accéléré par 8 cavités RF supraconductrices
à 400 MHz. Le champ atteint 5,5 MV/m.

Les parois sont en cuivre (bon conducteur thermique) recouvert de
niobium (bon supraconducteur).

Chaque cavité est alimentée par un klystron de 300 kW, d'où une
puissance crête totale de 4,8 MW RF.

Pendant l'accélération, 275 kW sont injectés dans chaque faisceau.


Refroidissement
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Les installations sont réparties entre la surface et le tunnel.
La capacité totale de réfrigération est de l'ordre de 144 kW.

Il faut 15 jours pour refroidir les 37000 t qui baignent dans
l'hélium liquide. 10000 t d'azote liquide sont évaporés pour
pré-refroidir rapidement (600 kW) de 293 K à 80 K.

Le LHC contient 96 t d'hélium.

Les conduites cryogéniques sont isolées sous vide (4800 m^3 de
vide), ainsi que les électroaimants supraconducteurs (9000 m^3
de vide).

Le plan du tunnel présente une pente de 1,4 % par rapport à
l'horizontale, d'où 120 m de dénivelé entre le point le plus
haut et le point le plus bas. Ceci doit être pris en compte
dans la conception de la plomberie cryogénique.


Dissipation des faisceaux
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En cas d'anomalie, il est nécessaire de dissiper rapidement les
362 MJ de chaque faisceau. Les faisceaux sont alors déviés par
15 électroaimants conventionnels (non supraconducteurs) d'une
seule spire, capables d'atteindre 0,34 T en moins de 3 µs.
Le champ est maintenu pendant au moins 90 µs avec une précision
de 10 %. Ces électroaimants sont alimentés par des condensateurs
chargés à 30 kV. Le courant atteint 18 kA.

Chaque faisceau est dévié vers une cible en carbone de 70 cm de
diamètre et 8 m de long, refroidie à l'eau, entourée par 900 t
de blindage anti-radiation.


Instrumentation
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Les instruments exposés aux radiations et aux perturbations
électromagnétiques utilisent les bus WorldFIP et Profibus.

La référence de temps est un oscillateur 10 MHz avec une
stabilité de 10^-10, synchronisé initialement sur le temps GPS.

Les front-ends sont des cartes VME sous LynxOS ou PC sous Linux.

Le réseau est gigabit ethernet doublé, sur fibre optique.

Les serveurs principaux sont sous Linux avec alimentations,
ventilateurs et disques redondants et échangeables à chaud.

Les équipements électriques et de réfrigération sont contrôlés
par des automates industriels classiques.